Устройство для измерения токовых шумов резистивных структур в НЧ-диапазоне Советский патент 1985 года по МПК G01R27/02 

фиг. г Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для создания высокочувствительных приборов, используемых для электрофлуктуационной диагностики. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет расширения полосы частот измерения токовых шумов в сторону нижних частот и повышение чувствительности. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; а фиг.2 - эквивалентная схема измеряемого резистора; на фиг.З - спектры собственного S бе лого шума, собственного шума типа T/f усилителя и спектры измеряемых шумов A/f, Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, амплитудный модуля тор 2, генератор 3 низкой частоты, входной блок А с измеряемым резисто ром, широкополосный усилитель 5, вт рой синхродетектор 6, детектор 7, избирательный усилитель 8, первый синхродетектор 9, блок 10 регистрации. Выход амплитудного модулятора 2 через входной блок 4, широкополосный 5 усилитель, второй синхродетек тор 6, детектор 7, избирательный усилитель 8 и первый синхродетектор 9 соединен с блоком 10 регистрации. Первый выход генератора 1 высокой частоты соединен с входом амплитудного модулятора 2, а второй выход - с опорным входом второго синхродетектора 6. Первый выход генератора 3 низкой частоты соединен с управляющим входом амплитудного модулятора 2, а второй выход - с опорным входом первого синхродетектора 9. Устройство функционирует следующим образом. Высокочастотный генератор 1 выра батывает напряжение, которое в амплитудном модуляторе 2 модулируется по амплитуде с глубиной100%-ным напряжением, вырабатываемым низкочастотным генератором 3. Таким образом, на входной блок 4 подается модулирующее напряжение: , U(I+sinSJ.t)sinuj,t , (1) где U,oд - мгновенное значение мо дулирующего напряжения; и - амплитудное значение мо дулирующего напряжения. 5 2 Входной блок 4 выполнен по мостовой схеме, в основе работы которого лежит тот факт, что при подаче любого напряжения в одну диагональ сбалансированного моста в другой диагонали оно отсутствует. Если в качестве трех резисторов моста применить, например, проволочные резисторы, которые, как известно, не обладают токовым шумом, а в качест-. ве четвертого - измеряемый резистор, то при подаче модулирующего напряжения в одну диагональ сбалансированного моста в другой диагонали fiyдет только напряжение токовых шумов. Основное назначение входного блока - осуществление бесконтактной модуляции токовых шумов измеряемого резистора и отделение их от модулирующего напряжения. Покажем каким образом во входном блоке 4 осуществляется бесконтактная модуляция измеряемых токовых шумов резистора. Эквивалентная схема резистора является достаточно сложной, но учитывая тот факт, что измерения проводятся на низких частотах, паразитной емкостью и индуктивностью можно пренебречь. Согласно фиг,2 Rg - номинальное сопротивление резистора, лЯ - его флуктуирующая часть. При протекании через резистор тока вида IмoA IoO+sinЯ,t)sinu)l,t (2) на нем создается падение напряжения. R -HOAl JMRoC sinS.i) 5inw,t От дК X x(-(Sinft i)5inu)ni(3) U U(l.Sinfl t),u)t+U 1 SinSZ t), , где Up - падение напряжения на измеряемом резисторе; Up - составляющая напряжения на номинальном сопротивлении резистора; Цц, - шумовая составляющая напряжения на резисторе, т.е. токовые шумы резистора промодулированы по закону модулирующего напряжения U. . Алализ (4 | показывает, что первое слагаемое не несет информации о токовых шумах резистора и поэтому устранено путем применения

3

мостовой схемы входного блока 4, т.е осуществлена бесконтактная балансная модуляция измеряемого токового шума резистора и на вькоде входного блока 4 имеем AM итумовой сигнал

Uu, (t)U(l-i-sinn t)sinu)«t (5) Вьщеленный во входном блоке 4 шумовой сигнал усиливается широкополосным усилителем 5 и детектируется в синхродетекторе 6. При этом реализуется выигрыш в чувствительности и полоса частот измерения токовых шумов расширяется до инфранизкочастотного диапазона (фиг.З).

Спектральная плотность собственного шума широкополосного усилителя, приведенного к входу, описывается формулой

ScoJcre(f) So + B/f , (6) где Sj - спектральная плотность мощности собственного белого шума усилителя 5; B/f- спектральная плотность мощности собственного шума типа 1/f усилителя 5, приведенная к входу.

Вычислим дисперсии собственного шума широкополосного усилителя для прямого метода и переноса спектра, полагая частотные характеристики усилителей в обоих случаях идеальными. ,

IB

РосБс.в(М 5ДР,-Р„).

Vf

М Sc.ScTet --(VPn)

«Л. . где F|f Fa диапазон частот измеререния токовых шумов резисторов

1733454

(так как шумом типа 1/f. на частотах выше единиц кГц можно пренебречь ), тогда выигрьш в чувствительности составит

еF

епв

2.ДР

1

Необходимо отметить, что параметр не зависит от полосы частот измерения токового шума и полностью определяется шумовыми параметрами аппаратуры. Этот параметр имеет раз.мерность частоты и с физической

точки зрения является той частотой, на которой спектральные плотности мощностей белого шума и шума типа широкополосного усилителя равны

между собой.

С физической точки зрения выигрьш1 в чувствительности получается за счет переноса спектра измеряемых токовых шумов A/f из низкочастотной области, где собственные шумы типа 1/f широкополосного усилителя принципиально велики, в высокочастотную, где собственные шумы широкополосного усилителя полностью опре-

деляются белым шумом уровень кото- ,, рого значительно меньше шума A/f в соответствующей области (фиг.З).

После синхродетектора 6 шумовой сигнал детектируется в детекторе 7 и подается на избирательный усилитель 8, настроенньй на частоту Я„, в котором осуществляется предварительная фильтрация, после чего отфильтрованная огибающая токовых шу-

MOB с частотой $ поступает на синхродетектор 9, в котором она преобразуется в сигнал постоянного тока и подается на регистрирующий блок 10. MoS fH fb фиг.З n

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВЫХ ШУМОВ РЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР В НЧ-ДИАПАЗОНЕ, содержащее генератор низкой частоты,входной блок, широкополосный усилитель, детектор, избирательный усилитель, синхродетектор и блок регистрации, причем входной блок соединен с широкополосным усилителем, выход детектора через избирательный усилитель и синхродетектор соединен с блоком регистрации, а выход генератора низкой частоты соединен с опорным входом синхроде тектора, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повьппения чувствительности, в него введены генератор высокой частоты, амплитудный модулятор и второй синхродетектор, причем первый выход генератора высокой частоты через амплит тудный модулятор соединен с входным блоком, второй выход генератора высокой частоты соединен с опорным входом второго синхродетектора, вто(Л рой выход генератора низкой частос ты соединен с управляющим входом ам-, плитудного модулятора, а выход широкополосного усилителя через второй синхродетектор соединен с входом детектора.